小斷面泥水盾構穿越三汊河堤防施工技術

易定達，劉 堅

(1.中鐵隧道集團二處有限公司，河北三河 065201；2.河海大學巖土研究中心，南京 210098)

0 引言

采用泥水盾構法在軟土地區修筑水底隧道時，不可避免地要穿越堤防。對泥水盾構穿越堤防的施工技術進行系統分析，闡述堤防拔樁、控制沉降措施及沉降規律，并結合南京電纜盾構隧道穿越三汊河堤防的工程實例，驗證所述風險控制措施的合理性及可行性。本文對設計階段的地面沉降量、影響范圍進行預測與對比，通過大量實測工程數據并結合理論數值模擬，得出了盾構隧道引起的地表沉降變化規律，以確保堤防結構及施工安全。

1 工程概況

碼頭變電纜隧道位于南京市下關區，隧道穿越三汊河河道及其堤防，內徑2.44 m、隧道埋深17 m，采用泥水盾構施工。盾構穿越段堤防的水利工程等級高、地質條件差(主要為淤泥質粉質黏土)，原堤防布設有鉆孔灌注樁對其進行抗滑加固處理;其中，抗滑樁樁體直徑0.8 m，樁深25 m，樁體自重約50 t。

盾構下穿堤防前需拔除已有抗滑樁，設計方案采用等強抽換拔樁施工方案。即先對隧道周邊堤岸土體采用高壓旋噴樁加固，并布置托換鉆孔灌注樁，然后對已有抗滑樁進行拔除。盾構穿越大堤時需嚴格控制地表沉降，確保堤防穩定。

2 堤防拔樁施工

2.1 工程邊界條件

1)三汊河堤防頂部寬3 m且不允許破堤施工，各施工設備、材料均不能直接從便道進入拔樁現場;

2)拔樁施工場地狹窄，不能容納大型施工設備;

3)臨水作業，安全風險高。

2.2 拔樁施工工藝

2.2.1 場地布設

1)堤頂布設1臺25 t汽車吊，各設備、材料均通過該汽車吊從附近道路吊入拔樁作業面，吊車基礎采用鋼筋混凝土現澆結構加寬、加固;

2)拔樁時搭設鋼圍堰，鋼圍堰兼作拔樁施工平臺。

2.2.2 設備選型

目前國內尚無定型的專用拔樁設備，國外采用360°全回轉套管鉆機，該設備的工作原理是:驅動鋼套管進行360°回轉，并將鋼套管壓入樁體四周(套管起護壁作用)，然后用液壓沖抓斗將鋼套管內棄樁樁體抓出，在套管內進行清障拔樁作業;清障完成后，進行鋼套筒內回填水泥土施工。但因該設備具有自身尺寸大、自重大且施工造價高等缺點，不適用于本工程。

在考察黃海機械廠生產的正循環GM—20型工程鉆機設備參數后，改裝該鉆機作為拔樁設備，其傳遞動力的“鉆桿”是自制的大口徑鋼質中空套管。施工工藝原理為:套管套住樁體、正循環帶漿沿棄樁鉆進，實現棄樁與周邊土體隔離，消除拔樁過程中樁側土體對棄樁的摩阻，利用孔內泥漿對棄樁樁體的浮力以降低棄樁樁體自重，在汽車吊的提吊作用下分節拔出棄樁、分節截斷，待樁體全部拔除后，再往樁孔內灌注水泥砂漿封孔。

2.2.3 施工工藝

1)搭設鋼圍堰(作業平臺)。采用型鋼、鋼板及方木搭設鋼圍堰，鋼圍堰兼做拔樁作業平臺。見圖1和圖2。

2)鑿除樁頂承臺、人工挖孔揭露原有樁基。采用人工、風鎬鑿除擬拔樁的樁頂承臺，并人工挖孔埋設φ2 m、長2～3 m的鋼護筒，使原樁基被揭露一定長度。

3)成孔。用套管套住擬拔棄樁，采用正循環回轉鉆及泥漿護壁法，通過逐節接長套管沿棄樁鉆進，鉆頭鉆進中切削下的土體、套管與棄樁間的土體經鉆頭攪拌后絕大部分形成泥漿，剩余的鉆碴被泥漿攜帶沿鉆孔上升，從護筒頂部排漿孔排入沉淀池，從而實現棄樁與套管隔離、套管與棄樁周邊土體隔離的目的。見圖3和圖4。

4)樁體拔除與截斷。成孔后，逐節取出孔內全部套管，用鋼絲繩套住樁頭，用鉆孔樁機配合25 t汽車吊把棄樁分節拔出地面并固定樁體，人工、風鎬截斷拔出的樁體。見圖5和圖6。

5)回填。采用灌注水下混凝土的方法往拔樁孔內填筑M5.0砂漿。

6)孔內殘留鐵件處理。在原樁體吊出后，采用強力磁鐵打撈孔內殘留鋼筋，防止掘進時鋼筋損傷盾構設備。

圖5 棄樁拔除Fig.5 Obsolete pile pulling

圖6 截斷拔出樁體Fig.6 Pile cutting

2.3 施工中存在的問題及解決措施

1)棄樁樁體出現傾斜、擴孔現象。遇到障礙樁傾斜、擴孔嚴重時，下鉆要慢，一旦鉆進困難或鉆不下去時，將套管取出并檢查套管刀具，及時更換破損的刀具，利用刀具強行切割樁體擴孔后的混凝土進行鉆進。

2)拔樁過程中，樁體出現斷裂現象。斷裂原因:棄樁樁身為二元結構，在鋼筋混凝土結構與素混凝土結構的界面附近為應力集中區，該部位易出現樁體斷裂現象。

處理措施:利用多次套拔法多次重復進行棄樁的套、拔作業，直至斷樁全部拔出。

2.4 實施效果

堤防拔樁工序從2010年11月1日開工至12月15日施工結束，共計45 d，拔除φ 1.2 m樁體共50 m、φ 1 m樁體共260 m、φ 0.8 m樁體共210 m。盾構機穿越堤防時，未遇到地下障礙物。

3 盾構過堤防控制沉降措施及沉降規律

防洪大堤是三汊河整個防洪體系的重要組成部分，盾構法越江隧道穿越大堤時，如何控制施工以減少對大堤的擾動，是確保大堤安全的重要問題。

3.1 盾構穿堤前的準備工作

1)合理安排施工進度，避免在雨季和汛期穿越大堤;

2)對大堤結構、大堤處隧道開挖面及上覆土層進行詳細調查，委托專業機構對盾構穿越大堤可能造成的影響進行分析、評價，并有針對性地提出應對措施;

3)盾構始發前對盾構設備全面檢修，以保證設備正常運轉，避免在穿堤時停機檢修;

4)準備必要的應急物資和搶險設備，一旦出現險情及時處理。

3.2 優化各施工參數，使各參數相匹配

1)嚴格控制泥水艙壓力、土砂量掘削及泥水指標。①泥水壓力。泥水壓力介于“地下水壓力+地層靜止土壓力+地層主動土壓力”(0.187 MPa)與“地下水壓力+地層靜止土壓力+地層被動土壓力”(0.285 MPa)之間，泥水壓力的增加會使作用于開挖面的有效支撐壓力增加，但不得超過其上限值。②土砂量掘削控制。用盾構理論掘削土砂量(Q1)與送、排漿管內的泥漿流量差(Q2)作對比。當Q1＞Q2時，可以判斷為逸泥狀態(泥水或泥水中的水滲入地層);當Q1＜Q2時，可以判斷為掘削面涌水狀態或坍塌狀態，需立即檢查泥水密度、黏度和切口水壓，在查明原因后應及時調整有關參數，確保開挖面穩定。③泥水指標控制。送泥泥水密度1.05～1.08 g/cm3，排泥泥水密度1.15～1.30 g/cm3。其中泥水密度需與盾構掘進速度相匹配;漏斗黏度25～35 Pa·s;析水率5%;泥漿pH值8～9。泥漿配合比為膨潤土:CMC∶純堿∶水=300∶2.2∶11∶870(質量比)。

2)加強同步注漿及二次補強注漿。合理設定注漿壓力，及時、同步地注漿;嚴格控制漿液質量，在盾構穿堤前反復試驗確定漿液的最佳配比;注漿應均勻，注漿量和掘進速度相匹配;推進時均勻、同步地壓注盾尾密封油脂，保證盾尾密封的止水效果。在盾構通過后，進行二次注漿，進一步填充建筑空隙，抑制地層變形的進一步發展。同步注漿配合比為水泥∶粉煤灰∶膨潤土∶細砂∶水 =250∶150∶100∶450∶1125(質量比)，二次注漿配合比為水泥∶粉煤灰∶膨潤土∶細∶砂∶水=300∶150∶150∶480∶1155(質量比)。

3)盾構掘進速度及姿態控制。在保證開挖面穩定的前提下，盡可能快速地通過大堤，并避免盾構較長時間的擱置;每環正常掘進過程中，掘進速度值需盡量保持恒定，減少波動，以保證切口水壓穩定和送排漿管的暢通。推進軸線盡量與隧道軸線保持一致，減少糾偏量，減輕盾構與周圍土層之間的摩擦，防止偏挖，減少盾構機俯仰、偏轉及橫向偏移。

4)管片拼裝質量控制。提高管片拼裝精度和拼裝質量;加強螺栓連接，在盾構通過一段距離后應再對其復緊，避免襯砌變形過大引起大堤沉降。

5)監測控制。在大堤上布置合理的監測點位，加大監測頻率，密切關注大堤沉降情況;根據監測結果實時優化切口環泥水壓力、推力及掘進速度等掘進參數。

6)穿越期間持續降雨的處理。持續降雨時，考慮到雨水入滲使土體重量增加，應將泥水艙壓力適當提高0.01～0.02 MPa。對堤頂和坡面出現的張拉裂縫立即采取防滲措施，防止雨水入滲。

7)盾構穿堤后的處置。在盾構穿越后，仍需長期監測，掌握大堤的沉降狀況，出現情況及時處理，大堤沉降監測應持續到沉降穩定為止。

3.3 盾構穿大堤沉降規律

3.3.1 沉降機理和特點

盾構推進引起的堤防沉降按沉降變化可分為初期沉降、開挖面沉降(或隆起)、尾部沉降、尾部空隙沉降和長期延續沉降5個階段;從隧道橫剖看，沉降槽曲線似正態分布曲線。

3.3.2 堤防沉降理論分析

地面沉降量及影響范圍的預測可以分為設計階段預測和施工階段預測。設計階段的預測方法主要以Peck法為代表的經驗公式法，施工階段的沉降又可分為上述5個階段，各階段地層移動的預測可以用彈性理論、固結理論等分別求解。本文僅對設計階段的地面沉降量、影響范圍進行預測與對比。

1)Peck公式。1969年，Peck教授根據當時大量隧道開挖引起的地表沉降實測資料，提出了地層損失的概念和預測隧道開挖引起地表沉降的實用方法，即Peck公式。他認為:在不排水情況下，隧道開挖所形成的地表沉降槽的體積應等于地層損失的體積。他假定地層損失在整個隧道長度上均勻分布，隧道施工產生的地表沉降橫向近似為正態分布曲線，如圖7所示，并提出地表沉降的預測公式:

圖7 Peck沉降槽的正態分布曲線Fig.7 Normal school of Peck settlemtnt groovy

式中:S(x)為距隧道中心線x處的地表沉降;Smax為隧道中心線上的地表沉降;i為地表沉降槽寬度系數;Vs為單位長度地表沉降槽體積;Vl為地層損失(1% ～3%);D為隧道直徑;R為隧道半徑;Z0為隧道埋深。

2)鏡像解析法。采用鏡像法原理，推導了非均勻位移收斂模式下的地層位移計算公式，對解析公式中的泊松比進行了分析，將地層沉降槽寬度參數引入解析公式，并對其推導的解析公式進行了修正。采用非均勻收縮位移模式，忽略襯砌影響的地表總沉降。

3)隨機介質法。隨機介質理論要綜合考慮施工因素和地層條件，可以很好地預測地表沉降及變形，對隨機介質法預測地層位移的過程進行了簡化:采用非均勻收縮位移模式的地表總沉降。

式中:W(x)為距隧道中心線x處的地表沉降;R為隧道半徑;g為間隙參數(查閱相應表格);β為地層影響角(查閱地勘資料);H為隧道埋深。

腎上腺為腹膜后位器官，毗鄰器官較多，左腎上腺根據其前方在不同的斷面毗鄰器官，分別為胃底、胰體、降結腸、脾及其動靜脈等。毗鄰腎上腺的結構發生病變形成類似囊實性腫物時，在影像學容易表現為左腎上腺來源的腫物。故CT讀片時未引起注意而易誤診為腎上腺腫瘤或囊腫[4-5]。

3.3.3 堤防沉降監測情況

1)測點布設情況。在北岸、南岸大堤上垂直隧道軸線各布置一排沉降監測斷面，北岸監測點編號為R16～D24，南岸監測點編號為R25～R33，布置情況如圖8所示。

圖8 測點布置圖Fig.8 Layout of monitoring points

2)大堤沉降監測數據分析

①同一斷面不同工況地表沉降。圖9和圖10為在不同工況下，斷面A和斷面B處各測點的地表沉降。從圖中可以看出:地表橫斷面各測點表現為先正位移后負位移，即地表先隆起后下大隆起和下沉均發生在隧道軸線位置，其他各值以軸線為中心、對稱分布，近似于正態曲線;離軸線越沉，遠沉降值越小，距最軸線15 m以外，地表沉降幾乎不受隧道掘進過程影響;隨著盾構機不斷接近測量斷面，隧道軸線處隆起值逐漸達到最大，主要因為此時開挖面距測量斷面的測點只有5 m左右(也就是約5環的距離)，與此前的規律相吻合。

②不同時間同一斷面位置地表沉降。圖11為不同工況時測點R25，R27和R29的地表沉降。從圖中可以看出:盾構掘進過程中，各測點地表沉降變化趨勢一致，即均表現為先隆起后下沉，且最大隆起均發生在距開挖面前方測點5環左右的位置，隆起值不等，但最大隆起值控制在10 mm之內;隨著開挖面遠離測點，地表由隆起變為下沉，且下沉量慢慢增大;但當開挖面遠離測點30 m及以上時，地表沉降已基本穩定且最大沉降控制在30 mm以內;當測點位于盾構機機身正上方時，由于剛度較大的盾殼對其正上方測點附近土體起到了暫時的支撐作用，因此地表沉降值較小。

③不同時間不同斷面位置地表沉降。圖12為盾構掘進過程中，同一時間測點 R16，R25，R20和R29的地表沉降。從圖中可以看出:開挖面在斷面A，B之間，盾尾剛剛脫離斷面B，故該點處地表有較大沉降;隨著盾構機掘進，即慢慢遠離斷面B，當開挖面處于斷面A時，斷面B的測點已達到穩定;在距開挖面前端5 m的距離，地表出現最大隆起。

3.3.4 堤防沉降的理論值與實測值比較

本文基于上述工程實例，進行了3種相應的理論值與實測值的對比分析。圖13—圖16為斷面A處隧道橫斷面的理論與實測曲線，從圖中可以看出:

1)采用Peck公式計算得出的橫斷面上地表各測點的理論值與對應的實測值相差較大，相差最大位置出現在隧道軸線上，最大相差16 mm;其原因是，在確定沉降槽寬度系數i時只考慮了隧道埋深與隧道半徑2個因素，且沒有任何修正系數，使計算結果產生誤差。

圖16 理論值與實測值比較Fig.16 Comparison and contrast between theoretical value and measuring data

2)采用鏡像解析法公式計算地表沉降，發現運用鏡像法除隧道軸線上方對應的地表測點沉降值較實測值偏保守外，橫斷面上其余測點的地表沉降理論值均大于實測值，但相差不多;隨機介質法較鏡像解析法所得地表沉降結果更接近實測值，其原因主要是相關參數的選取，在鏡像解析法中沉降槽寬度參數K的取值主要是通過經驗選取，相對而言，隨機介質法中引入的地層影響角β更具備理論性。

3)在距隧道中心線15 m左右的地表處，理論與實測所得沉降值均在10 mm以內，說明盾構機的掘進已對距隧道中心線1倍及以上埋深的地表沉降影響很小。

4 結論與討論

通過整理大量實測工程數據并結合理論數值模擬，對比分析了盾構隧道引起的地表沉降變化規律，得到的以下結論。

1)盾構掘進過程中，地表縱斷面沉降變化趨勢一致，均為先隆起后下沉，且最大隆起發生在距開挖面前方5環左右的位置，但隆起程度不等，最大隆起值在10 mm之內。開挖面前方10環以外地表幾乎沒有豎向位移，位于盾構機身正上方的地表沉降值小，隨著開挖面逐漸遠離，盾尾后方的地表沉降慢慢增大，但沉降速率減小;當開挖面遠離測點30環及以上時，地表沉降已基本穩定，且最大沉降在30 mm以內，地表橫斷面表現為先隆起后下沉，最大隆起和下沉均發生在隧道軸線上方位置，并以軸線為中心對稱分布，近似于正態曲線;離軸線越遠沉降值越小，距軸線約1倍埋深以外，地表沉降幾乎不受隧道掘進的影響。

2)盾構隧道軸線正上方地表豎向位移最敏感，隨著盾構機的掘進，其沉降逐漸增大;遠離盾構隧道軸線的地表沉降逐漸減緩，在距離盾構軸線約1.2倍埋深的位置地表沉降很小，隧道開挖時可忽略對該點及更遠處地表沉降的影響，隨著盾構機的掘進，地表縱向將發生不同程度的沉降，越遠離盾尾沉降越明顯，當遠離盾尾1.2倍埋深后，地表沉降速率減緩，沉降趨于穩定。

3)采用Peck公式計算得出的橫斷面上地表各測點的理論值與對應的實測值相差較大，相差最大位置出現在隧道軸線上。采用鏡像解析法公式計算地表沉降，除隧道軸線上方對應的地表沉降值較實測值偏保守外，橫斷面上其余位置地表沉降理論值均大于實測值，但相差不多;隨機介質法較鏡像解析法所得地表沉降值更接近實測值。

4)通過理論分析，論述了地鐵盾構施工導致地表沉降的機理與主要影響因素，分別以彈性模型和彈塑性模型分析了隧道開挖導致的應力變化規律，分析了隧道內壁的變形情況，并指出:地表沉降是隧道內壁變形擴展到地表的反映;引起盾構隧道地表沉降的主要原因是地層損失;地表沉降量與隧道所處地層條件、地層應力、引起地層應力的外載、隧道開挖半徑以及隧道壁后注漿效果等密切相關。

在實際工程中，隧道網絡交織復雜多變，因此，針對隧道之間相互位置的多變性以及隧道各項參數選取的多樣性仍需進行更多的研究分析;地下工程土體情況極其復雜而且區域性明顯，采用更貼近實際的本構模型把孔隙水壓和土的固結、蠕變等效應考慮在內進行更全面的分析也是有必要的。

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［2］ Nanuel M，Luis M，Jose N R.Prediction and analysis of subsidence induced by shield tunneling in the Madrid Metro extension［J］.J.Can Geoteeh，2002，39:26 －35.

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